摘要：在熱水供熱系統(tǒng)中。水錘現(xiàn)象是客觀存在的，為了保證系統(tǒng)的安全，必須采取積極的預(yù)防措施；盡量減小水錘現(xiàn)象的發(fā)生、止回閥是供熱系統(tǒng)管路中一個十分重要的部件，本文研究了止回閥在供熱系統(tǒng)中的防水錘作用，建立了上回閥啟閉時的邊界條件。分析了普通止回閥的缺陷和防水錘止回閥的特性，研究了優(yōu)化關(guān)閉特性消除水錘和防止水泵倒轉(zhuǎn)的機理，得出有實際意義的結(jié)論，對于正確選擇和使用止回閥具有指導(dǎo)意義。
一、前言
隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高。城市集中供熱系統(tǒng)已逐漸取代 了家戶式的分散取暖爐，目前北京、沈陽等城市已經(jīng)或正在建設(shè)大型的集中供熱系統(tǒng)，今 后的集中供熱系統(tǒng)將向著大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。這種大型化的集中供熱系統(tǒng)供熱規(guī) 模大，水錘事故一旦發(fā)生破壞力強，后果嚴(yán)重，因此必須采取積極的預(yù)防措施，盡量減少 和防止水錘現(xiàn)象的發(fā)生。
止回閥是供熱系統(tǒng)管路中一個十分重要的部件，止回閥的安裝位置、結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)閉 曲線對供熱系統(tǒng)的安全性和叮靠性有很大影響。如果止回閥使用得當(dāng)；能夠起到冰錘防護 的作用；但是如果使用不當(dāng)，不僅不能對供熱設(shè)備起到保護作用，而且會在供熱系統(tǒng)管線 中引起很大的水燙。因此對止回閥在供熱系統(tǒng)中的防水錘作用進行研究具有很重要的實際 意義和學(xué)術(shù)意義。
從流體瞬變運動的角度看；對于止回閥的要求下只在動力中斷時能夠開啟或關(guān)閉，而 且應(yīng)根據(jù)供熱管路中的流動狀況對啟閉速度有一定的要求。不適當(dāng)?shù)膯㈤]速度將引起系統(tǒng) 管路中的壓力突然升高或下降，當(dāng)壓力的上升值足夠大時就會引起管子的破裂。為廠保證 系統(tǒng)安全，必須合理選擇止回閥的結(jié)構(gòu)形式和關(guān)閉曲線，使其起到防水錘的作用。本文研 究了止回閥在供熱系統(tǒng)中的防水錘作用，建立了止回閥啟閉時的邊界條件，分析了普通止 回閥的缺陷和防水錘止回閥的特性，研究了優(yōu)化關(guān)閉特性消除水錘和防止水泵倒轉(zhuǎn)的機 理，得出有實際意義的結(jié)論，對于在供熱系統(tǒng)中正確選擇和使用止回閥具有指導(dǎo)意義。
二、止回閥及其應(yīng)用
止回閥是用來防止管道或設(shè)備中介質(zhì)倒流的一種閥廠。它利用流體的動能而開啟。在供熱系統(tǒng)中，止回閥常安裝在泵的出口、以及其它不允許流體反向流動的地方。選擇合適 的止回閥型式對進行水錘防護有很大的影響，例如泵站中大量的水錘事故是與泵出口裝設(shè) 的止回問有關(guān)的。事故停泵后水流通過京開始倒流，在倒泄水流的作用下，止回閥迅速關(guān) 閉，如果止回閥由于故障或支座摩阻及其慣性的影響，止回閥有可能滯后于開始倒流的時間，即在倒流量增至一定值，甚至在zui大倒流量的瞬間迅速關(guān)閉，則能在止回閥處產(chǎn)生非 常大的壓力。止回閥閥瓣在流速為零時關(guān)閉完畢是關(guān)閉的*狀態(tài)，要在流速為零時完成 閥瓣關(guān)閉是不太可能的。一般認(rèn)為，只要在零流量附近關(guān)閉完畢就是正常的。
在熱水供熱系統(tǒng)中，為了減小事故停泵水錘，可以在循環(huán)水泵的壓水管和吸水管之間 設(shè)置一帶止回閥的泄壓旁通管。在循環(huán)水泵運行時，由于水泵出水側(cè)水壓高于吸水側(cè)的水 壓，止回閥呈關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)突然停泵的瞬間，泵出水側(cè)壓力急劇降低，而吸水側(cè)壓力則大 幅度增高，在此壓差作用下，循環(huán)水泵吸水側(cè)管路中的水即推開止回閥至泵出水側(cè)的管網(wǎng) 系統(tǒng)，從而降低了吸水側(cè)管網(wǎng)中壓力增高的幅度；減少和防止了水錘的危害。裝置在泄壓 旁通管上的止回閥應(yīng)選用阻力較小、開啟靈活的產(chǎn)品。泄壓旁通管的管徑越大對減小水錘 越有力，可以根據(jù)規(guī)定的壓力界限，通過瞬變計算，確定經(jīng)濟的管徑。
（a）無旁通管路
（b）有旁通管路
圖1 水泵出口處壓力一時間曲線
圖1給出了某供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的壓水管和吸水管之間沒有旁通管、循環(huán)水泵斷電 時，水泵出口壓力隨時間變化的計算曲線（圖1（a）），和該系統(tǒng)增設(shè)帶止回間的泄壓旁通 管后水泵出口壓力變化的計算曲線（圖1（b））。從圖中看出增加帶止回閥的旁通設(shè)計顯然 對控止水錘壓力是有效的；管路中壓力振蕩很快衰減達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。莊頭波動的振幅 也比沒有旁路設(shè)計時小很多。
三、止回閥啟閉時的邊界條件
如果水力坡度的基準(zhǔn)線與閥門的軸線一致；則在定常流情況F，通過止回閥孔口的壓 頭降△H0與Q0如下有關(guān)系：
(1)
其中，CD為流量系數(shù)，AG為閥口開啟流通面積。 在止回閥的啟閉過程中，瞬時的流量和壓頭降仍保持上述關(guān)系：
(2)
如果定義閥門的無量鋼開度為
(3)
它在止回閥啟閉過程中是時閥t的函數(shù)，那么根據(jù)式（1）及式（2）有
(4)
這就是止回閥啟閉時的邊界條件，式中的無量綱開度又稱閥門關(guān)閉曲線。對定常流， τ=1止回閥關(guān)閉時流量為零，τ＝0。
上回閥啟閉時的邊界條件方程與供熱系統(tǒng)中的其它邊界條件方程、一維不定常流動的 運動方程和連續(xù)方程聯(lián)解，就可以求出當(dāng)止回閥無量綱開度變化時，供熱系統(tǒng)各計算截面 壓力的變化情況。計算的目的是要尋求*的止回閥關(guān)閉過程，以便確定合理的止國閥結(jié) 構(gòu)參數(shù)（如閥辯直徑、配重等）。
四、普通止回閥和防水錘止回閥
選擇合適的止回閥型式，對供熱系統(tǒng)的水錘防護有很大的影響，特別是安裝在泵出口 處的止回閥尤其要注意選擇合適的型式。事故停泵時，希望它能自動迅速關(guān)閉，阻止水倒 流沖擊水泵而發(fā)生飛逸反轉(zhuǎn)，但是如果關(guān)閉不當(dāng)，就會造成嚴(yán)重的管網(wǎng)水錘，對安全供熱 構(gòu)成威脅，嚴(yán)重的水錘會對供熱系統(tǒng)造成癱瘓性的破壞，對生產(chǎn)及生活造成影響和損失。
1.普通止回閥的缺陷
目前供熱系統(tǒng)中常用的止回閥在這里稱為普通止回閥，主要由閥體、閥瓣和閥蓋構(gòu) 成，它有如下的缺點：
（1）事故停泵時閥門迅速關(guān)閉，造成閥后的空穴，空穴在正負(fù)水錘波的作用下，反復(fù) 產(chǎn)生和自滅，造成閥門的空蝕破壞，使其壽命縮短。
（2）當(dāng)閥辯動作不靈活時，關(guān)閉緩慢，水倒流，沖擊葉輪產(chǎn)生飛逸反轉(zhuǎn)而破壞泵設(shè)備。
（3）正常運行時，閥瓣飄在水中，不停地擺動和振動，因而流阻大、摩擦大、耗能高、 壽命短。
2．防水錘止回閥的特點
熱水供熱系統(tǒng)發(fā)生水錘集中供熱發(fā)展進程中出現(xiàn)的實際問題，止回閥型式對供熱系統(tǒng)水錘壓力的影響越來越引起國內(nèi)外供熱界的重視。
在熱水供熱系統(tǒng)中應(yīng)盡可能地選用防水錘止回閥。防水錘止回閥克服了普通止回閥的 缺點，具有如下特點：
（1）啟泵后閥門能及時迅速打開。
（2）正常運行時，要求閥瓣有盡可能大的開啟角，并能穩(wěn)定在全開位置。
（3）停泵時閥門有優(yōu)化的關(guān)閉特性，在突然停泵時即能阻止水倒流保護水泵不致發(fā)生 飛逸反轉(zhuǎn)，達(dá)到保護水泵的目的，又能使其在關(guān)閉的zui后階段實現(xiàn)緩閉，減少突然關(guān)閉造 成管路中的水錘，達(dá)到保護管路的目的。
圖2給出了在水泵出口安裝普通止回閥；當(dāng)停泵時止回閥下游側(cè)壓力隨時間變化的實 測曲線（圖2（a））；和在該水泵出口安裝丹麥丹佛斯公司402M防水錘止回閥，當(dāng)停泵時 止回閥下游側(cè)壓力隨時間變化的實測曲線（圖2（b））。測試管徑150毫米，定常態(tài)時管道流量155立方米／時；止回閥下游側(cè)壓力5巴。從圖2中看出安裝普通止回閥時，停泵引起 止回閥處的zui大壓力達(dá)到20巴，而安裝防水錘止回閥在同樣的工況下，止回閥處zui大壓 力只有10巴，減小了停泵引起的水錘。
（a） 普通止回閥
（b） 防水錘止回閥
圖2 止回閥下游側(cè)壓力-時間曲線
五、優(yōu)化關(guān)閉特性消除水錘和防止水泵倒轉(zhuǎn)的機理
根據(jù)停泵的水力過渡過程理論，在水泵出口不設(shè)置止回閥時，當(dāng)突然停泵時，其水錘 過程可分為三個階段。
l 水泵工況
停電后，水泵由于慣性轉(zhuǎn)動，管中水流繼續(xù)正向流動，但其速度逐漸減小，直至水流 速度變?yōu)榱?。這一階段又稱為"正流才轉(zhuǎn)"。
2 制動工況
瞬態(tài)靜止的水，由于受靜水頭的作用開始倒流，回沖水流對仍在正轉(zhuǎn)的水泵葉輪起制 動作用，于是轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低，直至轉(zhuǎn)速為零。這一階段又稱為"逆流正轉(zhuǎn)"。
3 水輪機工況
隨著倒泄水流的加大，水泵開始反轉(zhuǎn)并逐漸加速，zui后在飛逸轉(zhuǎn)速情況下反向旋轉(zhuǎn)運 行。這一階段又稱為"逆流反轉(zhuǎn)"。
通過分析可以看出，停泵后水流從正向流動到逆向流動，在理論上有一個零流量點， 即瞬時水流靜止，若此時閥門迅速關(guān)閉，水流的慣性沖擊zui小，即產(chǎn)生的水錘zui小。但實 際上由于許多因素的存在，下可能將零流量點出現(xiàn)的時間確定的很準(zhǔn)。另外閥門關(guān)閉需要 一段時間，在零流量點完成閥瓣關(guān)閉是不太可能的。所以將閥門關(guān)閉參數(shù)設(shè)定為在開度較 大時，用較快的速度關(guān)閉一個較大的角度，截斷大量水流，這時閥門的無量綱開度的變化 并不大。但是在臨近關(guān)閉時，較小幅度的關(guān)閉閥門也會引起無量綱開度的顯著變化，從而 引起流速和壓力的顯著變化。因此在臨近關(guān)閉時，用較慢的速度關(guān)閉個較小的角度、延 長閥門的關(guān)閉時間、此時雖然關(guān)閉時間較長，但由于止回閥開度已很小，逆流水流受到的 閥門阻力很大，逆流量較小，所以不致于使水泵超速反轉(zhuǎn)，這樣即減小了水錘又解決了水 泵超速反轉(zhuǎn)問題。
止回閥是整個供熱系統(tǒng)中的一個部件，對它的動作要求不是一成不變的，而是根據(jù)系 統(tǒng)而定。某種關(guān)閉速度可能對某一系統(tǒng)來說是適宜的，但對另一系統(tǒng)則可能并不合適，正 確的分析和確定止回閥關(guān)閉程序是消除水錘和防止逆轉(zhuǎn)的關(guān)鍵；錘燙的分析及關(guān)閉參數(shù)應(yīng) 當(dāng)根據(jù)規(guī)定的關(guān)閉時間、規(guī)定的zui大（zui小）壓力界限。合理地進行調(diào)節(jié)計算，有效地控 制關(guān)閥過程。
六、結(jié)論
1 在水泵的出水管路和壓水管之間連接帶止回閥的泄壓旁通管路的辦法，對控制 水泵故障時的水錘壓力具有很好的效果。
2 防水錘止回閥克服了普通止回閥的缺點，在熱水供熱系統(tǒng)中應(yīng)盡可能地選用防水 錘止回閥。
3 在水泵的出口處應(yīng)該設(shè)置防水錘止回閥。即可以防止水泵突然停泵時的超速反轉(zhuǎn)。 又可以減小突然停泵引起的水錘。
4 止回闊的動作要求不是一成不變的。應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)而定，本文給出了描述止回響 后閉時的邊界條件方程。
